(江南大學(xué)生物工程學(xué)院,糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 江蘇 無錫 214122)
β-丙氨酸是一種典型的非蛋白氨基酸,具有重要的生理作用,是泛酸、輔酶A以及?;d體蛋白的重要前體[1]。同時(shí),β-丙氨酸作為一種重要的平臺(tái)化合物,也是合成含氮化合物(例如丙烯酰胺和丙烯腈)的重要前體,在生物制藥和生物煉制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-3]。目前,β-丙氨酸的合成主要采用化學(xué)合成法[4],該方法存在著污染大、能耗大和后處理困難等缺陷。近年來,生物法合成β-丙氨酸受到人們的關(guān)注,尤其是對(duì)利用L-天冬氨酸α-脫羧酶(ADC)催化轉(zhuǎn)化L-天冬氨酸合成β-丙氨酸的研究增多。ADC基因存在于大多數(shù)細(xì)菌、動(dòng)物及一些古細(xì)菌中。目前,對(duì)利用細(xì)菌ADC(多被命名為PanD)催化轉(zhuǎn)化獲得β-丙氨酸的研究已有大量報(bào)道,主要為來源于大腸桿菌[2]、谷氨酸棒桿菌[5-6]、枯草芽孢桿菌[4,7]的重組酶。盡管基因來源和轉(zhuǎn)化策略不同,細(xì)菌PanD與底物反應(yīng)時(shí)都存在基于機(jī)理的失活作用,這是其應(yīng)用的主要瓶頸。這一失活作用的機(jī)理是細(xì)菌PanD以丙酮?;鶊F(tuán)作為輔基,脫羧過程中根據(jù)質(zhì)子化位點(diǎn)的不同,存在兩種途徑,一種能順利完成正常的催化脫羧過程,另一種是轉(zhuǎn)氨反應(yīng),會(huì)導(dǎo)致酶的不可逆失活[4,8]。底物失活作用使得這些酶在反應(yīng)過程中的催化穩(wěn)定性很低,難以開發(fā)成為理想的酶制劑。近年來,一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)一些真核生物及古細(xì)菌中的谷氨酸脫羧酶(GAD)類似蛋白具有L-天冬氨酸α-脫羧酶的活性。這類酶都以磷酸吡哆醛(PLP)作為輔酶,專一性不高,目前還沒有詳細(xì)的酶學(xué)性質(zhì)和在制備β-丙氨酸中的應(yīng)用研究。真核生物中,在人類基因中發(fā)現(xiàn)GADL1具有天冬氨酸α-脫羧功能,在肌肉細(xì)胞和肝臟細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)直接生成β-丙氨酸,用于合成肌肽[9];在昆蟲基因中需要由GAD2催化獲得的β-丙氨酸來獲得皮質(zhì)硬化[10-13];古細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了具有ADC活性的酶,這類酶底物作用范圍比較廣,多被注釋為酪氨酸脫羧酶(MfnA)[14-16]。關(guān)于古細(xì)菌的報(bào)道多為極端微生物,它們的酶大多表現(xiàn)為耐高溫高鹽,酶學(xué)性質(zhì)較適合工業(yè)化生產(chǎn)。本研究旨在篩選磷酸吡哆醛依賴型ADC的基因來源,考察其在生物法合成β-丙氨酸上的應(yīng)用潛力。從數(shù)據(jù)庫中查找獲得5種不同來源的基因序列,利用基因合成技術(shù)和基因工程手段,構(gòu)建高效表達(dá)ADC的重組菌。首先通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)來源于詹氏甲烷球菌(Methanocaldococcusjannaschii)的重組酶具有較高的酶活力,然后詳細(xì)考察了該酶的最適溫度、熱穩(wěn)定性、最適pH、pH穩(wěn)定性、輔酶穩(wěn)定性以及酶催化合成β-丙氨酸能力等,研究結(jié)果表明該酶在工業(yè)應(yīng)用上有很高的潛力。
L-天冬氨酸、丙氨酸和磷酸吡哆醛購自Sigma公司;限制性內(nèi)切酶和標(biāo)準(zhǔn)蛋白ladder購自Fermentas公司;T4 DNA連接酶和DNA Marker購自TaKaRa公司;卡那霉素和異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)購自生工生物工程(上海)股份有限公司;質(zhì)粒小量提取試劑盒、純化試劑盒和膠回收試劑盒購自Axygen公司;1mL His-trap HP色譜柱購自美國GE公司,其他試劑為國產(chǎn)分析純;用于克隆和表達(dá)的菌株為的E.coliBL21(DE3),用于表達(dá)的質(zhì)粒為pET28a(+),均為實(shí)驗(yàn)室凍存。
從NCBI數(shù)據(jù)庫中查找獲得ADC基因序列,按照大腸桿菌密碼子偏好性進(jìn)行優(yōu)化,在基因序列5’端引入酶切位點(diǎn)NdeI,3’端引入HindIII。優(yōu)化后的序列由蘇州金唯智生物科技有限公司合成并連接至克隆載體pUC57-simple。提取質(zhì)粒pUC57-panD,用NdeI和HindIII雙酶切,連接至同樣雙酶切后的pET-28a(+),T4連接酶連接過夜,獲得表達(dá)載體pET28a-ADC并化轉(zhuǎn)至E.coliBL21(DE3),獲得重組菌E.coliBL21(DE3)/pET28a-ADC,并保藏于-70 ℃甘油管中。
將重組菌從甘油管中接10 μL菌體至20 mL LB培養(yǎng)基(含有50 μg/mL卡那霉素)中,37 ℃,200 r/min培養(yǎng)過夜后,轉(zhuǎn)接2 mL菌體至50 mL TB培養(yǎng)基(含有50 μg/mL卡那霉素),37 ℃培養(yǎng)2 h后加入25 μL 1 mol/L IPTG(終濃度為0.5 mol/L),25 ℃ 200 r/min培養(yǎng)16 h。發(fā)酵結(jié)束后收集菌體,用50 mmol/L磷酸緩沖液(pH 8.0)洗兩遍后,加入緩沖液,振蕩混勻,稀釋OD至10后置于冰上,利用超聲波破碎儀破碎細(xì)胞(破1 s停2 s,破碎時(shí)間5 min),破碎液于4 ℃溫度下12 000 r/min離心20 min,取上清保留。破碎液上清經(jīng)His Trap-HP色譜柱純化(方法參照Novagen his bind kits說明書)后獲得純酶,以Bradford法測定酶液濃度,并用SDS-PAGE檢測純度。
重組酶的酶活測定方法:將0.5 mg純酶加入2.5 mL 50 mmol/L磷酸緩沖液(pH 8.0)混合,70 ℃預(yù)熱30 min后加入同樣預(yù)熱過的166 μL 200 g/L L-天冬氨酸(Na鹽)(終濃度為100 mmol/L),反應(yīng)1 h,加入0.1 mL NaOH溶液(濃度為1 mol/L)滅活。樣品以等體積丙酮20 ℃沉降2 h后用HPLC檢測β-丙氨酸與L-天冬氨酸的濃度(鄰苯二甲醛衍生法),計(jì)算酶活。酶活(U)定義為在溫度70 ℃,pH 8.0條件下,每分鐘轉(zhuǎn)化產(chǎn)生1 μmolβ-丙氨酸所需要的酶量為一個(gè)酶活單位(μmol/min),比酶活為每mg蛋白產(chǎn)生的酶活(U/mg)。
1.4.1 重組酶最適溫度和熱穩(wěn)定性的測定
將0.25 mg純酶和250 μL 2.5 mmol/L PLP加入到2.5 mL磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 8.0)中,分別于37,60,70,75,80,85,90 ℃下預(yù)熱30 min后加入166 μL 200 g/L L-天冬氨酸鈉(終濃度為100 mmol/L),反應(yīng)20 min后加入0.1 mL NaOH溶液(濃度為1 mol/L)滅活。樣品以等體積丙酮-20 ℃沉降2 h后用HPLC檢測β-丙氨酸的濃度,計(jì)算酶活。將上述體系放置12 h后加入100 mmol/L L-天冬氨酸鈉,反應(yīng)條件、樣品處理與酶活計(jì)算同方法1.3。
1.4.2 重組酶最適pH和pH穩(wěn)定性的測定
分別將0.25 mg純酶和250 μL 2.5 mmol/L PLP加入到2.5 mL磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 6.0~8.0)和Tris-HCl緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 8.0~10.0)中,再加入166 μL 200 g/L L-天冬氨酸鈉(終濃度為100 mmol/L),于80 ℃反應(yīng)20 min后加入0.1 mL NaOH溶液(濃度為1 mol/L)滅活。樣品處理與酶活計(jì)算同方法1.3。上述體系放置12 h后加入166 μL 200 g/L L-天冬氨酸鈉(終濃度為100 mmol/L),反應(yīng)條件、樣品處理與酶活計(jì)算同方法1.3。
1.5.1 底物對(duì)輔酶PLP穩(wěn)定性的影響
將830 μL不同濃度L-天冬氨酸鈉溶液(終濃度分別為0,50,100,150,200,250,500 mmol/L)加入到1.67 mL磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 8.0,含有1 mmol/L的PLP)中,放置于80 ℃環(huán)境中,每30 min測一次反應(yīng)液在390 nm處的吸光度。
1.5.2 溫度對(duì)輔酶PLP穩(wěn)定性的影響
將830 μL 200 g/L L-天冬氨酸鈉溶液加入到1.67 mL磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 8.0,含有1 mmol/L的PLP)中,放置于30,37,50,60,70,80 ℃環(huán)境中,每30 min測一次反應(yīng)液在390 nm處的吸光度。
1.5.3 pH對(duì)輔酶PLP穩(wěn)定性的影響
將830 μL 200 g/L L-天冬氨酸鈉溶液和100 μL 2.5 mmol/L PLP溶液分別加入到1.57 mL乙酸-乙酸鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 5.0~6.0)、磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 7.0~8.0)和Tris-HCl緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 9.0~10.0)中,放置于80 ℃環(huán)境中,每30 min測一次反應(yīng)液在390 nm處的吸光值。
1.6.1 底物濃度對(duì)酶催化的影響
反應(yīng)體系為10 mL磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 8.0,PLP濃度為0.25 mmol/L)。將0.5 mg純酶與底物質(zhì)量濃度分別為0,5,20,50,80,100 g/L的L-天冬氨酸鈉溶液分別60 ℃水浴反應(yīng)2 h和12 h,測定生成的β-丙氨酸含量。樣品處理與酶活計(jì)算同方法1.3。
1.6.2 酶催化實(shí)驗(yàn)
酶催化體系為10 mL,將2.5 mg純酶用磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液(濃度為50 mmol/L,pH 8.0)補(bǔ)充至10 mL。先分別將0.5 mL不同濃度的PLP溶液(終濃度分別為0,0.25,0.5 mmol/L)加入到體系中混勻,60 ℃預(yù)熱30 min。再加入1 mL 200 g/L L-天冬氨酸鈉,60 ℃水浴反應(yīng),每隔2 h取一次樣,樣品處理及β-丙氨酸測定方法同1.3。
實(shí)驗(yàn)從NCBI文庫中篩選獲得5種以磷酸吡哆醛為輔酶且具有L-天冬氨酸α-脫羧酶活性的序列,分別為Homosapiens(Gene ID:339896, GADL1),Aedesaegypti(GeneID:5569335, GAD2),ThermococcuskodakarensisKOD1(Gene ID:3234484, ADCT.k),PyrococcushorikoshiiOT3(Gene ID:1443262, ADCP.h)和M.jannaschiiDSM 2661(Gene ID:1450889, ADCM.j)。磷酸吡哆醛依賴型ADC的蛋白序列與細(xì)菌PanD的蛋白序列同源性很低,但其中GADL1和GAD2與Homosapiens的谷氨酸脫羧酶的同源性為54.89%,ADCP.h與ADCM.j均被注釋為酪氨酸脫羧酶(MfnA),它們的同源性為38.75%。將這些序列經(jīng)密碼優(yōu)化后利用基因合成技術(shù)獲得,并置于pET-28a(+)的T7啟動(dòng)子下游,獲得重組質(zhì)粒pET28a-GADL1,pET28a-GAD2,pET28a-ADCT.k,pET28a-ADCP.h和pET28a-ADCM.j,同時(shí)重組酶N端均獲得6個(gè)組氨酸標(biāo)簽。
2.1中重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化E.coliBL21(DE3),通過IPTG低溫誘導(dǎo)和超聲破碎獲得重組酶的高效表達(dá),SDS-PAGE驗(yàn)證結(jié)果如圖1所示。泳道1~4分別為ADCT.k,ADCP.h,GADL1和GAD2,5號(hào)泳道為蛋白Marker,6號(hào)泳道為ADCM.j;蛋白Marker為Page ruler low range unstained protein ladder(MW:3.4~100 kDa),購自Fermentas公司。
圖1 PLP依賴型重組酶的表達(dá)Fig.1 Expression of PLP-dependentL-aspartate -decarboxylase
重組酶經(jīng)過His-Trap HP純化后獲得純酶,SDS-PAGE驗(yàn)證結(jié)果如圖2。泳道1~5分別為ADCT.k,ADCP.h,GADL1,GAD2和ADCM.j;蛋白Marker(泳道6)為小分子量蛋白標(biāo)準(zhǔn)樣品(MW:3.4~100 kDa)購自Fermentas公司。來源于Homosapiens和Aedesaegypti的重組酶產(chǎn)生了大量的包涵體,沒有獲得其功能性表達(dá)。來源于古細(xì)菌的ADCT.k,ADCP.h和ADCM.j均獲得有效表達(dá),電泳圖利用Image LabTM軟件(美國Bio-Rad公司)分析獲得其表達(dá)量分別為72%,53%和80%。經(jīng)過His-Trap HP柱子純化后獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%的純蛋白。與細(xì)菌PanD相比,古細(xì)菌ADC不需要自剪切作用,因此其電泳圖僅為一條條帶。酶活測定結(jié)果顯示:ADCT.k,ADCP.h和ADCM.j的比酶活分別為5.85,6.46,6.87 U/mg,其中ADCM.j具有較優(yōu)的表達(dá)量和酶活力,而且ADCM.j純化后酶液顏色呈淡黃色,說明該酶本身對(duì)PLP有很強(qiáng)的親和力,因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)主要對(duì)其酶學(xué)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化能力進(jìn)行考察。
圖2 PLP依賴型重組酶的純化Fig.2 Purification of PLP-dependentL-aspartate -decarboxylase
重組酶ADCM.j在不同溫度條件下的比酶活如圖3所示。由圖3可知:酶活隨著溫度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),最適溫度為80 ℃,37 ℃時(shí)的酶活極低,該酶為高溫酶,低于60℃時(shí)溫度敏感性較強(qiáng)。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:重組酶在80 ℃以下水浴中放置12 h酶活均沒有損失,超過80 ℃酶活損失非???,90 ℃時(shí)只剩下50%。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:重組酶ADCM.j催化L-天冬氨酸的脫羧反應(yīng)的最適溫度為80 ℃,該酶在80 ℃以下保持穩(wěn)定,具有良好的熱穩(wěn)定性。目前報(bào)道的最適合工業(yè)化應(yīng)用的酶為來源于枯草芽孢桿菌的重組酶PanDB.s,其最適溫度為60 ℃,65 ℃條件下12 h的酶活損失為27%[7],相比于PanDB.s,ADCM.j具有較好的熱穩(wěn)定性。
圖3 重組酶ADCM.j的最適溫度及溫度穩(wěn)定性Fig.3 Optimal temperature and thermostability of ADCM.j
重組酶ADCM.j在不同pH條件下的比酶活如圖4所示。由圖4可知:隨著pH的增加,酶活呈先上升后下降的趨勢(shì),最適pH為8.0。最適pH下在Tris-HCl緩沖液中測定的酶活比在磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液中的高,但是12 h后酶活略低,說明Tris-HCl緩沖液有利于催化反應(yīng),但不利于酶的穩(wěn)定性。pH穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該酶在中性和堿性條件下有較好的穩(wěn)定性。
L-天冬氨酸本身溶解度不高,因此底物以其鈉鹽形式加入反應(yīng)體系,pH呈中性。理論上ADC在催化L-天冬氨酸生成β-丙氨酸和CO2的過程中需要消耗溶液中的質(zhì)子,從而導(dǎo)致pH逐漸增加。因此,從pH及pH穩(wěn)定性來看,堿性條件下穩(wěn)定的酶更有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。相對(duì)于PanDB.s(最適pH 6.5),重組酶ADCM.j在催化反應(yīng)中更有優(yōu)勢(shì)。
圖4 重組酶ADCM.j的最適pH及pH穩(wěn)定性Fig.4 Optimal pH and stability of ADCM.j
在酶學(xué)性質(zhì)及酶活測定實(shí)驗(yàn)中,筆者發(fā)現(xiàn)如果將輔酶PLP和L-天冬氨酸鈉先預(yù)熱,再加入酶反應(yīng),測得的酶活力非常低,因此可以考慮底物對(duì)輔酶PLP的穩(wěn)定性有一定的影響。輔酶PLP是氨基酸代謝中一些重要轉(zhuǎn)氨酶和脫羧酶的輔酶[17-18],是一種不穩(wěn)定的輔助因子,見光易分解且熱穩(wěn)定性不高,高溫條件下吡哆醛可以與α-氨基酸反應(yīng)生成吡哆胺,從而失去生理活性[19]??紤]到PLP在390 nm處有最高吸收峰[20],實(shí)驗(yàn)通過測定不同底物濃度、溫度和不同pH條件下A390 nm(390 nm處的吸光值)來考察輔酶PLP的穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5~7所示。由圖5~7可知:1) 37 ℃條件下PLP與底物接觸既開始降解,底物濃度越高,PLP的降解越快。底物濃度為500 mmol/L時(shí),3 h時(shí)其A390 nm降低了15.2%;2) PLP對(duì)高溫特別敏感,80 ℃ 2.5 h即可以完全被降解;3) 酸性條件下,PLP很容易被降解,pH 6.0時(shí)4.5 h降解了37.5%。即底物濃度較高時(shí)輔酶PLP的降解不可避免,在較低溫度和堿性條件下相對(duì)較穩(wěn)定。
圖5 底物濃度對(duì)PLP降解的影響Fig.5 Effects of L-aspartate concentrationon PLP degeneration
圖6 溫度對(duì)PLP降解的影響Fig.6 Effects of temperature on PLP degeneration
圖7 pH對(duì)PLP降解的影響Fig.7 Effects of pH on PLP degeneration
不同底物濃度下重組酶的轉(zhuǎn)化獲得β-丙氨酸的產(chǎn)量如圖8所示。由圖8可知:隨著L-天冬氨酸濃度的升高,產(chǎn)物濃度逐漸降低,底物對(duì)重組酶酶活有抑制作用,底物濃度越高抑制強(qiáng)度越強(qiáng)。反應(yīng)12 h后其抑制趨勢(shì)與2 h時(shí)的一致,且產(chǎn)量均增加了50%左右,說明酶反應(yīng)速率大幅降低但未完全失活。同樣的抑制作用也存在于細(xì)菌PanD的催化反應(yīng)中,但細(xì)菌PanD的底物抑制為不可逆的失活作用[4-5]。
為了驗(yàn)證ADCM.j的底物抑制作用是否可逆,進(jìn)行了不同PLP量下的酶催化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9。在增加一倍PLP添加量后反應(yīng)8 hβ-丙氨酸的產(chǎn)量增加了26.7%,說明過量添加PLP能夠緩解底物抑制作用。另外,在沒有額外添加PLP時(shí)ADCM.j仍然具有催化活性,說明該酶在細(xì)胞體內(nèi)本身能與PLP有效結(jié)合,且在純化過程中不會(huì)被破壞。最終,該酶催化8 h后獲得了質(zhì)量濃度為2.33 g/L的β-丙氨酸,其單位生產(chǎn)速率為0.116 g/(L·h·mg),比PanDB.s的單位生產(chǎn)速率(0.071 g/(L·h·mg))提高了63.9%。
圖8 底物濃度對(duì)酶催化的影響Fig.8 Effects of L-aspartate concentrationon bioconversion of ADCM.j
圖9 重組酶的酶催化Fig.9 Bioconversion of ADCM.j
PLP依賴型ADC在β-丙氨酸生物合成過程中的明顯優(yōu)勢(shì)是其溫度穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性均優(yōu)于細(xì)菌PanD,其底物抑制與輔酶相關(guān),可以通過增加輔酶量獲得底物抑制的解除,大大提高酶制劑的操作穩(wěn)定性。由于PLP價(jià)格昂貴,消耗PLP生產(chǎn)β-丙氨酸并不經(jīng)濟(jì),因此酶催化過程中PLP的穩(wěn)定性和循環(huán)利用是利用PLP依賴型ADC合成β-丙氨酸研究的關(guān)鍵。借鑒目前工業(yè)上利用假單胞菌L-天冬氨酸β-脫羧酶在生產(chǎn)L-丙氨酸上的優(yōu)勢(shì),利用耐高溫的菌體酶進(jìn)行活細(xì)胞轉(zhuǎn)化是一個(gè)很可行的方案。
筆者利用基因合成技術(shù)成功構(gòu)建了3種古細(xì)菌來源的磷酸吡哆醛依賴型L-天冬氨酸α-脫羧酶的重組菌,對(duì)其中活性較高的詹氏甲烷球菌來源的重組酶ADCM.j進(jìn)行了酶學(xué)性質(zhì)分析和酶催化研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:重組酶ADCM.j雖然比酶活在目前報(bào)道中并不是最高的,但其溫度穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性均優(yōu)于細(xì)菌來源的PanD酶,并且在酶催化過程,酶不會(huì)與底物反應(yīng)導(dǎo)致酶的不可逆失活,因此ADCM.j酶的催化穩(wěn)定性優(yōu)于PanD酶。筆者同時(shí)考察了不同底物濃度、溫度以及pH條件對(duì)輔酶PLP的穩(wěn)定性的影響,根據(jù)酶活性質(zhì)及輔酶穩(wěn)定性分析結(jié)果,最終利用重組酶ADCM.j進(jìn)行催化L-天冬氨酸獲得了質(zhì)量濃度為2.33 g/L的β-丙氨酸,單位生產(chǎn)速率達(dá)到0.116 g/(L·h·mg)。對(duì)利用PLP依賴型ADC生產(chǎn)β-丙氨酸的可能性進(jìn)行了研究,將其與細(xì)菌PanD的性能進(jìn)行比較,為酶法生產(chǎn)β-丙氨酸提供可靠的催化劑選擇,為酶催化條件提供有利的參考。